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KR100800664B1 - 레이저 광 모듈 - Google Patents

레이저 광 모듈 Download PDF

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KR100800664B1
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Abstract

본 발명에 따른 직접 변조에 의한 파장 이동 현상이 없는 레이저 광을 생성하기 위한 레이저 광 모듈은 제1 광을 생성하기 위한 레이저 광원과, 상기 제1 광을 제2 광으로 파장 변환시키기 위한 고조파 생성기와, 상기 레이저 광원과 상기 고조파 생성기의 사이에 위치되어 상기 레이저 광원에서 생성된 제1 광의 출력 세기를 조절해서 상기 고조파 생성기로 출력하는 다중 모드 간섭계를 포함한다.
고조파, 파장, 레이저

Description

레이저 광 모듈{LASER MODULE}
도 1a는 레이저 광원의 인가되는 구동 전류에 따른 제1 광의 파장 변환을 설명하기 위한 그래프,
도 1b는 고조파 생성기의 파장 대역에 따른 파장 변환 효율을 설명하기 위한 그래프,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직접 변조에 따른 파장 이동 현상이 없는 녹색 레이저 광을 생성하기 위한 레이저 광 모듈의 구성을 도시한 도면,
도 3은 도 2에 도시된 다중 모드 간섭계의 일 부분의 평면 상태를 도시한 도면,
도 4a 내지 도 4f는 동일 기판 상에 레이저 광원 및 다중 모드 간섭계를 집적시켜서 제작하기 위한 방법의 각 단계별 구조를 도시한 도면.
본 발명은 레이저 광원에 관한 발명으로서, 특히 고조파 생성기를 포함하는 직접 변조에 따른 파장 이동 현상이 없는 레이저 광원에 관한 발명이다.
근래의 영상 정보를 제공하는 수단들은 종래 CRT 방식 이외에도 LCD, PDP등과 같은 다양한 형태로 제공되고 있다. 그 중에서, 삼원색의 레이저 광을 이용해서 영상을 구현하는 레이저 스캔 방식의 영상 수단들과 프로젝션 영상 수단들이 개발 및 보급되고 있다.
상술한 레이저 스캔 및 프로젝션 방식의 영상 수단들은 청색, 적색, 녹색의 삼 원색을 생성할 수 있는 레이저 광원들과, 다수의 광학계, 상기 각 광원에서 생성된 광을 공간 변조시키기 위한 공간 광 변조기 등을 포함해서 구성된다.
상술한 녹색 파장의 레이저 광은 청색 및 적색 파장의 광을 생성할 수 있는 레이저 광원과 다르게 반도체를 이용한 직접 변조가 용이하지 않다. 따라서, 통상의 녹색 파장 대역의 레이저 광을 생성하기 위한 레이저 광 모듈은 연속 발진형 녹색 광원의 경우 Nd:YAG, Nd:YVO4 등 고체 레이저의 흡수 파장 대역의 광을 생성할 수 있는 펌핑 용 레이저 광원과, 상기 고체 레이저 광원에서 생성된 적외선 파장 대역의 광을 530㎚ 파장을 갖는 2차 고조파로 변환 출력시키기 위한 2차 고조파 생성기를 포함해서 구성된다. 그리고, 직접 변조형 녹색 광원의 경우 1060㎚ 대역의 적외선 반도체 레이저를 직접 제작하고, 2차 고조파 생성기를 포함해서 구성된다.
그러나, 2차 고조파 생성기는 입력되는 광의 파장 변화에 따라서 파장 변환 효율이 변화되며, 이로 인해서 2차 고조파 생성이 불안정해지고 변환 효율이 저하되는 문제가 있다. 즉 그레이 스케일 레벨(gray scale level)을 구현하기 위해서 레이저 광원에 가해지는 구동 전류를 변화시키면 생성되는 광의 파장 대역이 변화되고, 이를 이용해서 2차 고조파를 생성하는 2차 고조파 생성기의 파장 변환 효율 이 급격하게 저하되는 문제가 있다.
따라서, 2차 고조파 생성기를 포함하는 종래의 레이저 광 모듈은 상술한 문제 등으로 인해서 그레이 레벨(Gray level)을 표현하기 위해서 다수의 모듈들을 사용해야되는 문제가 있으며, 이는 부피가 커지고, 시스템 구성이 복잡해지는 문제를 유발한다. 상술한 그레이 레벨은 백에서 흑까지의 명도의 단계를 시감각에서 밝기의 단계로 대비한 것을 의미하며 디스플레이 장치에 의해 구현되는 영상, 사진, 인쇄 물의 색 판정 등 대비에 사용된다.
본 발명은 상술한 문제들을 해결하기 위해 안출된 발명으로서, 적은 부피로 다양한 레벨의 그레이 레벨 구현이 가능한 레이저 광 모듈을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명에 따른 직접 변조에 따른 파장 이동 현상이 없는 레이저 광을 생성하기 위한 레이저 광 모듈은,
제1 광을 생성하기 위한 레이저 광원과;
상기 제1 광을 제2 광으로 파장 변환시키기 위한 고조파 생성기와;
상기 레이저 광원과 상기 고조파 생성기의 사이에 위치되어 상기 레이저 광원에서 생성된 제1 광의 출력 세기를 조절해서 상기 고조파 생성기로 출력하는 다중 모드 간섭계를 포함한다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직접 변조에 따른 파장 이동 현상이 없는 레이저 광을 생성하기 위한 레이저 광 모듈의 구성을 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 실시 예에 따른 레이저 광 모듈(100)은 제1 광을 생성하기 위한 레이저 광원(110)과, 상기 제1 광을 제2 광으로 파장 변환시키기 위한 고조파 생성기(130)와, 상기 레이저 광원(110)과 상기 고조파 생성기(130)의 사이에 위치된 다중 모드 간섭계(multi mode interferemeter;120)를 포함한다.
상기 레이저 광원(110)과 상기 다중 모드 간섭계(120)는 동일 기판 상에 단일 칩(chip)의 리지(Ridge) 형태로 형성될 수 있다.
상기 레이저 광원(100)은 파장 이동 현상이 없도록 고정된 전류가 흐르는 분포 궤환 레이저(distributed feedback laser)가 사용될 수 있으며, 간섭성 특징을 갖는 제1 광을 생성하며 반도체 기판(111) 상에 순차적으로 성장된 활성층(112), 가이드 층(guide layer; 114), 클래드(115)를 포함한다. 상기 가이드 층(114) 내에는 일정 주기를 갖는 회절 격자 패턴(113)이 형성되고, 상기 클래드(115) 상에는 리지(ridge) 형태의 도파로(wave guide;116)가 형성된다. 상술한 분포 궤환 레이저 형태의 레이저 광원은 미국 특허 제3,760,292호에 그 구조 등이 자세하게 개시되고 있다.
상기 다중 모드 간섭계(120)는 반도체 기판(121) 상에 하부 클래드(122), 상기 레이저 광원(100)의 활성층(112)보다 밴드갭이 높은 활성층(123), 상부 클래드(124)가 순차적으로 적층되며, 상기 상부 클래드(124)는 리지 구조로도 적용될 수 있다. 도 3은 도 2에 도시된 다중 모드 간섭계(120)의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 상기 다중 모드 간섭계(120)의 상부 클래드(124)는 상기 레이저 광원(110)의 리지 형 도파로보다 폭이 넓은 슬랩(slab; 124a)과, 상기 슬랩(124a)보다 좁은 폭을 가지며 상기 슬랩(124a)을 통해 입력된 제1 광을 출력시키기 위한 출력단(124b)으로 구성될 수 있다. 상기 다중 모드 간섭계(120)의 활성층(123)은 일정한 굴절률(n)을 갖고 있으며 인가된 구동 전류의 세기에 따라 굴절률이 변화되게 되며, 굴절률이 변화된 정도(△n)는 입사된 제1 광의 결상 위치를 결정하게 된다.
예를 들자면, 정상적인 구동 전류가 인가된 경우에 제1 광은 상기 출력단(124b)에 접하는 A에 수렴되며, 이 경우의 제1 광은 위상 정압(in phase)이 된 상태로서 높은 출력으로 출력될 수 있다. 반대로, 위상 정압이 되지 않은 상태로서 A보다 상대적으로 낮은 구동 전류가 인가된 상태일 경우는 A보다 짧은 B에 결상될 수 있다. 결과적으로, 상기 제1 광은 상기 슬랩(124a)의 길이(L)와 수평한 광축 상에서 구동 전류에 따라서 결상 지점이 조절되며, 결상 지점의 변화는 출력단(124b)으로 출력되는 제1 광의 세기를 변화시키는 요인이 된다. 즉, 다중 모드 간섭계(120)는 인가되는 구동 전류에 따라서 제1 광의 결상 지점 및 출력 세기를 변화시킬 수 있다.
그 외에도, 상기 다중 모드 간섭계(120)는 그 폭이 상기 레이저 광원(110) 또는 출력단(124b)보다 넓은 슬랩(124a)을 구비함으로써, 제1 광의 포화 이득 파워를 증가시켜서 고출력의 단일 파장의 확보가 가능한 이점을 갖는다.
도 1a는 레이저 광원(110)에 인가되는 구동 전류와 제1 광의 파장 변화의 관계를 설명하기 위한 그래프이고, 도 1b는 고조파 생성기(130)의 파장 대역에 따른 파장 변환 효율을 설명하기 위한 그래프이다. 도 1a는 상기 레이저 광원(110)에 인가되는 구동 전류를 30㎃에서 170㎃까지 20㎃씩 증가시킬 경우에 제1 광의 파장 변화를 측정한 그래프이다. 최초 30㎃가 인가된 경우는 1062㎚에 인접한 파장 대역에서 출력되고, 170㎃가 인가된 경우는 1067㎚에 인접한 파장 대역에서 출력됨을 알 수 있다. 즉, 레이저 광원(120)에 인가되는 구동 전류의 변화는 출력되는 제1 광의 파장 변화를 유발한다.
또한, 도 1b는 고조파 생성기(130)의 흡수 효율을 파장 대별로 측정한 그래프로서, 측정에는 MgO가 첨가된 LiNbO3 결정(crystal)에 준 위상 정합(quasi-phase matching)을 위한 분극 다이폴(periodically polling)이 형성된 고조파 생성기(130)가 이용되었다. 해당 고조파 생성기(130)는 대략 850.2㎚중심에서 1.0으로서 변환된 고주파의 파워가 큰 반면에, 850 및 850.4㎚에서의 고주파 파워는 크게 저하됨을 알 수 있다. 즉, 그레이 스케일 레벨을 구현하기 위해서 레이저 광원(110)에 인가되는 구동전류를 변화시키면 제1 광의 파장 대역이 고조파 생성기(130)의 흡수 밴드(band)를 벗어나게 되고, 변환 효율이 크게 저하되는 문제가 생길 수 있다. 도 1b의 그래프는 일반적인 MgO가 첨가된 LiNbO3 결정일 경우가 사용되었으며, 1060㎚ 파장 대역에서도 유사한 흡수 효율의 패턴을 갖는다.
반면에, 본원 발명에 따른 레이저 광 모듈(100)은 상기 레이저 광원과 상기 고조파 생성기의 사이에 위치된 상기 다중 모드 간섭계(120)를 포함함으로써 제1 광의 파장을 변화시키지 않고도 다양한 형태의 그레이 스케일 레벨을 안정적으로 구현할 수 있다.
상기 고조파 생성기(130)는 상기 다중 모드 간섭계(120)의 출력단(124b)에서 출력된 제1 광을 고조파인 제2 광으로 파장 변환시켜서 출력하며, 상기 제1 광의 파장이 1060㎚일 경우에 상기 제1 광을 530㎚를 갖는 녹색 파장 대역의 제2 광으로 파장 변환시킬 수 있다.
도 4a 내지 도 4f는 동일 기판 상에 레이저 광원 및 다중 모드 간섭계를 집적시켜서 제작하기 위한 방법의 각 단계별 구조를 도시한 도면이다.
도 4a는 레이저 광원과 다중 모드 간섭계를 형성하기 위해서 단일 기판(201) 상에 제1 활성층(202)과, 가이드 층(203)이 순차적으로 성장된 상태를 도시한 도면이고, 도 4b는 상기 가이드 층(203)에 회절 격자 패턴이 형성된 상태를 도시한 도면이다. 상술한 회절 격자 패턴은 다양한 방법으로 형성될 수 있으며, 레이저 광에 의한 홀로그래피 공정에 의해 형성될 수 있다.
도 4c는 다중 모드 간섭계를 형성하기 위해서 반도체 기판(201) 상에 형성된 제1 활성층(202) 및 가이드 층(203)의 일 부분을 제거한 상태를 도시한 도면이고, 도 4d는 상기 제1 활성층(202) 및 가이드 층(203)이 제거된 반도체 기판(201) 상의 일부분에 선택 재성장(selective regrowth) 방법을 이용해서 다중 모드 간섭계를 형성하는 하부 클래드(206a,206b)와 레이저 광원을 형성하기 위한 하부 클래 드(204)가 성장된 상태를 도시한 도면이다.
도 4c에 도시된 제1 활성층(202) 및 가이드 층(203)은 레이저 광원을 구성하고, 도 4d에 도시된 하부 클래드(206a, 206b) 및 제2 활성층(206c)은 다중 모드 간섭계를 구성한다. 도 4d의 하부 클래드(206a,206b)는 샌드 위치와 같은 구조로서 그 중심에 제2 활성층(206c)이 성장된다. 상기 제2 활성층(206c)은 상기 제1 활성층(202)보다 큰 밴드 갭을 갖는다.
한편, 다중 모드 간섭계를 구성하는 영역의 밴드갭(band gap)을 조절하기 위해서 선택 영역 성장(selective area growth) 방법을 사용하면, 재성장 없이 한 번의 포토리소그래피 공정으로 성장시킬 수 있다. 상기 다중 모드 간섭계을 구성하는 영역은 밴드갭이 다르게 형성됨으로써 충분한 굴절률 변화를 유도할 수 있게 되고, 도파로(Wave guide)가 수동(passive) 영역을 형성하게 되어 전하-플라즈마(carrier-plasma)효과를 얻을 수 있게된다. 또한, 도 4e는 리지 형태의 레이저 광원과 다중 모드 간섭계를 형성하기 위해서 평판 형태의 상부 클래드(205)를 성장시킨 상태를 도시한 도면이고, 도 4f는 상기 상부 클래드(205) 상에 리지 형태의 도파로(205a,205b)를 형성해서 레이저 광원 및 다중 모드 간섭계가 완성된 상태를 도시한 도면이다.
그 외에도 도 4e에 있어서, 상기 상부 클래드(205)를 성장한 후, 상기 상부 클래드(205)의 일부를 식각해서 도 4f에 도시된 바와 같은 레이저 광원 및 다중 모드 간섭계가 집적된 리지 형태의 광 소자로 완성할 수 있다.
본 발명은 레이저 광원과 고조파 생성기의 사이에 위치된 다중 모드 간섭계의 구동 전류 변화를 통한 광의 그레이 스케일 레벨을 변조시킴으로써, 단일 파장을 갖는 제1 광으로 계조 변조가 가능해지는 이점이 있다. 즉, 고조파 생성기에 입력되는 제1 광의 파장은 일정하게 유지시키고 그레이 스케일 레벨만 변조만 가능해지므로 다양한 정도의 계조 표현이 가능해지고, 고조파 생성기의 파장 변환 효율도 일정하게 유지시킬 수 있는 이점이 있다.
그 외에도, 다중 모드 간섭계에 인가되는 구동 전류의 세기를 변화시켜서 제1 광의 그레이 스케일 레벨을 구현하는 본 발명은 레이저 광원의 구동 전류를 인가해서 계조를 변조시키는 경우보다 전류 소모가 적고 안정적인 동작 특성을 얻을 수 있다. 즉, 본 발명은 구동 전류가 인가되는 면적이 레이저 광원보다 넓은 다중 모드 간섭계를 사용함으로써 저항 감소 및 그로 인한 전력 소모를 최소화시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 레이저 광 모듈에 있어서,
    제1 광을 생성하기 위한 레이저 광원과;
    상기 제1 광을 제2 광으로 파장 변환시키기 위한 고조파 생성기와;
    상기 레이저 광원과 상기 고조파 생성기의 사이에 위치되어 상기 레이저 광원에서 생성된 제1 광의 출력 세기를 조절해서 상기 고조파 생성기로 출력하는 다중 모드 간섭계를 포함함을 특징으로 하는 레이저 광 모듈.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 광원은 1060㎚ 파장을 갖는 제1 광을 생성할 수 있는 분포 궤환 레이저를 포함함을 특징으로 하는 레이저 광 모듈.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 다중 모드 간섭계는 인가되는 구동 전류에 따라서 상기 제1 광의 세기를 변조해서 출력시킴을 특징으로 하는 레이저 광 모듈.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 광원 및 다중 모드 간섭계 각각은 리지 형태로 형성됨을 특징으로 하는 레이저 광 모듈.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 광원과 상기 다중 모드 간섭계는 동일 반도체 기판 상에 집적됨을 특징으로 하는 레이저 광 모듈.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 고조파 생성기는 530㎚ 파장의 제2 광을 출력함을 특징으로 하는 레이저 광 모듈.
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